現(xiàn)代控制理論在汽車懸架控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、綜述現(xiàn)代控制理論在汽車懸架控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀黑龍江交通高等?？茖W(xué)校孫建民哈爾濱工程大學(xué)陳玉強(qiáng)摘要傳統(tǒng)汽車懸架無(wú)法在各種行駛條件下提供良好的減振性能, 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善。本文論述了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等幾種以現(xiàn)代控制理論為核心的懸架控制技術(shù), 并作出相應(yīng)的評(píng)價(jià)。敘詞:控制理論懸架振動(dòng)1引言 汽車振動(dòng)是影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的重要因素。汽車減振主要使用懸架系統(tǒng), 它一般由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成, 用以緩沖和吸收因路面不平而產(chǎn)生的激振力, 同時(shí)承受汽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾力。而二者在汽車設(shè)計(jì)中是矛盾的, 基于經(jīng)典隔振理論的傳統(tǒng)

2、懸架系統(tǒng)難以同時(shí)滿足這種要求。在70年代, 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始研究基于振動(dòng)主動(dòng)控制的主動(dòng)、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)1。這種懸架系統(tǒng)是典型的非線性機(jī)、電、液一體化動(dòng)力系統(tǒng)。近年來(lái), 隨著電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展, 使汽車懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振動(dòng)主動(dòng)控制。特別是對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制技術(shù)的研究, 已開始應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制, 使懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善。隨著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)和完善, 研究汽車振動(dòng), 設(shè)計(jì)新型懸架系統(tǒng), 將振動(dòng)控制到最低水平是提高汽車質(zhì)量的重要措施。2懸架系統(tǒng)的發(fā)展根據(jù)現(xiàn)代汽車對(duì)懸架提出的

3、各種性能要求, 懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)控制方法隨時(shí)在更新和完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多, 分類方法也不盡相同。按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式,可分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩大類。如果按控制力進(jìn)行分類, 則可分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架3種基本類型。3種懸架的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。圖13種振動(dòng)控制的懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型1. 傳感器2. 可調(diào)減振器3. 力發(fā)生器M簧上質(zhì)量K 彈簧剛度C 減振器阻尼2. 1被動(dòng)懸架汽車絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機(jī)械式懸架。其簡(jiǎn)化模型如圖1(a 所示, 彈簧主要用來(lái)支承簧上質(zhì)量的靜載荷, 而減振器主要用于控制響應(yīng)特性, 由于阻力和簧上質(zhì)量相對(duì)于地面的速度有關(guān), 因此, 在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)

4、中, 懸架系統(tǒng)便會(huì)消耗振動(dòng)系統(tǒng)的能量起到減振的作用2。這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)選擇。在汽車行駛過(guò)程中就無(wú)法隨外部狀態(tài)變化而變化。汽車懸架應(yīng)滿足兩個(gè)方面的要求, 一方面為提高轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操縱過(guò)程的穩(wěn)定性, 要求912000年第5期懸架應(yīng)具有高阻尼系數(shù); 另一方面為隔開隨機(jī)路面不平對(duì)汽車的擾動(dòng), 提高乘坐舒適性, 要求懸架應(yīng)具有低阻尼系數(shù)。由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié), 限制了被動(dòng)懸架系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。2. 2半主動(dòng)懸架半主動(dòng)懸架的研究工作始于1973年, 由D . A . C ro sby 和D . C . Karnopp 首先提出3。其簡(jiǎn)化模型如圖1(b

5、 所示, 它由可變特性的彈簧和減振器組成。其基本工作原理是:根據(jù)簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號(hào), 按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減振器的阻尼力。半主動(dòng)懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動(dòng)懸架, 但是半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。通常, 主要以改變減振器的阻尼力為主, 將阻尼分為兩、三級(jí), 可由人工選擇或根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)確定阻尼級(jí)。1984年日產(chǎn)公司研制出一種聲納半主動(dòng)懸架, 它能通過(guò)聲納裝置預(yù)測(cè)前方路面信息, 及時(shí)調(diào)整懸架減振器的3種狀態(tài)4。通過(guò)改變彈簧剛度構(gòu)成的半主動(dòng)懸架由H ubbard 等人于1976年提出5, 彈簧剛度的改變是通過(guò)切換空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的。與

6、機(jī)械彈簧相比, 空氣彈簧有更多的優(yōu)勢(shì)。因此國(guó)外早在80年代就已將空氣彈簧懸架應(yīng)用于各種車輛。2. 3主動(dòng)懸架通過(guò)輸入外部能量使控制機(jī)構(gòu)給懸架系統(tǒng)施加一定控制力的振動(dòng)控制稱為主動(dòng)控制。主動(dòng)控制懸架的最初裝置是由A P 公司基于氣液懸架發(fā)展的一種機(jī)械系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車主動(dòng)控制懸架簡(jiǎn)化模型如圖1(c 所示, 它由彈性元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用是改進(jìn)系統(tǒng)中能源的消耗和供給系統(tǒng)以能量, 該裝置的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng), 而又不需對(duì)系統(tǒng)作出較大的變化。因此, 只需使力發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正比于絕對(duì)速度負(fù)值的主動(dòng)力, 即可實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)。主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常有兩種形式, 即由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣式懸架和

7、由電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣式懸架。日產(chǎn)和豐田公司的一些高級(jí)車上裝載的油氣式主動(dòng)懸架如圖2所示, 由一個(gè)電液比例閥(針閥 和一個(gè)機(jī)械式壓力伺服滑閥構(gòu)成壓力控制閥。其工作原理為:當(dāng)路面激勵(lì)頻率較低(2H z 以下 時(shí), 由計(jì)算機(jī)對(duì)控制閥的線圈施加一電流使針閥打開, 在控制閥的出口處即產(chǎn)生一個(gè)與之成比例的輸出油壓, 通過(guò)控制油壓缸內(nèi)的油壓以控制汽車的振動(dòng); 當(dāng)路面激勵(lì)頻率適中(27H z 時(shí), 主要由滑閥的機(jī)械反饋功能對(duì)油壓缸內(nèi)的油壓進(jìn)行伺服控制, 從而進(jìn)行車體減振; 當(dāng)激勵(lì)頻率較高(7H z 以上 時(shí), 則利用與油壓缸連通的氣體彈簧室吸收振動(dòng)能量而達(dá)到減振6。圖2油氣式主動(dòng)懸架系統(tǒng)1. 油泵2. 滑閥3.

8、 控制閥4. 針閥5. 線圈6. 加速度傳感器7. 油壓缸8. 氣體彈簧室但是主動(dòng)懸架的商品化存在嚴(yán)重困難, 一是硬件價(jià)格昂貴; 二是能量消耗過(guò)大, 目前僅用于排量較大的高檔車型。隨著控制技術(shù)的發(fā)展, 減少功率消耗、提高控制系統(tǒng)的集成化是主動(dòng)懸架研究的主要任務(wù)。3懸架控制技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀目前, 汽車懸架已進(jìn)入到利用微處理器進(jìn)行控制的時(shí)代, 運(yùn)用較優(yōu)的控制方法, 得到高性能的減振效果, 且使能耗盡可能的低是汽車懸架發(fā)展的主要方向。汽車懸架振動(dòng)控制系統(tǒng)大多由傳感器拾取車身絕對(duì)速度、車身對(duì)車輪的相對(duì)速度、車身的加速度等信號(hào), 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理并發(fā)出指令進(jìn)行控制。由電液控制閥或步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)減振器的

9、阻尼系數(shù)或控制力。由于懸架系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng), 因此基于模型的線性反饋控制是不適用的。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善。3. 1最優(yōu)控制最優(yōu)控制是首先確定一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù), 通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出使該函數(shù)取極值時(shí)的控制輸入。一般情況下, 目標(biāo)函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗(yàn), 最優(yōu)控制的解只有在極少數(shù)情況下才能得出解析解, 有的可以通過(guò)計(jì)算機(jī)得到數(shù)值解。在汽車懸架系統(tǒng)上應(yīng)用的最優(yōu)控制較多, 常用的有線性最優(yōu)控制、H 最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)見控02汽車研究與開發(fā)制等。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基礎(chǔ)上, 采用受控對(duì)象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo),

10、同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。例如, 將線性二次型調(diào)節(jié)器控制理論和線性二次高斯型控制理論應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。H 最優(yōu)控制方法是通過(guò)設(shè)計(jì)控制器, 在確保閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下, 使相對(duì)于干擾的輸出取最小的一種最優(yōu)控制方法。為了模擬由于車身質(zhì)量、輪胎剛度以及減振器阻尼系數(shù)等變化不確定的誤差, 應(yīng)用H 最優(yōu)控制方法可使汽車懸架振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的適應(yīng)不確定因素影響的能力7。最優(yōu)預(yù)見控制方法是利用車輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入, 將測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。由于這種控制技術(shù)可以通過(guò)某種方法提前檢測(cè)到前方路面的狀態(tài)和變化, 將使控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間

11、采取措施。因此, 可大大降低系統(tǒng)的能耗, 且改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)預(yù)見信息的測(cè)量及利用方法不同, 可構(gòu)成不同的預(yù)見控制系統(tǒng), 如對(duì)四輪全進(jìn)行預(yù)見控制和利用前輪擾動(dòng)信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制8。對(duì)四輪全進(jìn)行預(yù)見控制是在車的前部設(shè)有特殊的預(yù)見傳感器, 以測(cè)試前方路況, 然后將信息傳給控制器?？刂破鲗⑾鄳?yīng)信號(hào)送至四個(gè)輪中的每一個(gè)懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu), 這種系統(tǒng)需要設(shè)置特殊的傳感器。在利用前輪信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制中, 在決定后輪的控制指令時(shí), 控制器不僅考慮當(dāng)時(shí)后輪傳感器得到的各種信息, 而且也根據(jù)當(dāng)時(shí)的車速和前后輪間的跨距, 并考慮前輪各傳感器所得到的信息。因此, 在后輪的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上, 實(shí)行的是反饋加前向反

12、饋的雙作用控制。在該系統(tǒng)中無(wú)需設(shè)置特殊的預(yù)見傳感器, 只需改變控制軟件, 便可提高后輪的減振效果。采用最優(yōu)預(yù)見控制方法, 預(yù)見時(shí)間的選擇對(duì)控制效果影響很大。3. 2自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。自適應(yīng)控制方法可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化, 從而時(shí)刻保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。應(yīng)用于汽車懸架振動(dòng)控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩種方法。自校正控制是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線識(shí)別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。模型參考自適應(yīng)控制的原理是:當(dāng)外界激勵(lì)條件和自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí), 被控汽車的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。采用自適應(yīng)控制的汽車懸架減

13、振器在德國(guó)大眾汽車公司的汽車底盤上得到了應(yīng)用。3. 3模糊控制模糊控制是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型控制方法, 其最大特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒有精確的數(shù)學(xué)模型, 使用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量, 在控制過(guò)程中包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí), 與人的智能行為相似。自90年代以來(lái), 模糊控制方法被應(yīng)用在汽車懸架系統(tǒng)中。日本德島大學(xué)芳村敏夫教授把模糊理論應(yīng)用于汽車懸架半主動(dòng)和主動(dòng)控制系統(tǒng), 采用模糊推理分別構(gòu)成半主動(dòng)和主動(dòng)控制規(guī)則, 進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析來(lái)控制車身的垂直振動(dòng)和俯仰振動(dòng), 其結(jié)果證實(shí)了采用模糊控制方法的有效性。合肥工業(yè)大學(xué)方錫邦等人將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于汽車半主動(dòng)控制懸架9。在實(shí)車應(yīng)用過(guò)程中, 振動(dòng)性能明

14、顯優(yōu)于被動(dòng)懸架。3. 4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制目前, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法越來(lái)越多地應(yīng)用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設(shè)計(jì)中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是生物學(xué)中腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某種抽象、簡(jiǎn)化和模擬, 它是由大量類似人腦神經(jīng)元的基本信息處理單元通過(guò)廣泛連接而構(gòu)成的高度非線性超大規(guī)模連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng), 反映了人腦功能的若干基本特性。作為一種并行分布式處理系統(tǒng), 它具有自動(dòng)知識(shí)獲得、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、良好的容錯(cuò)性和推廣能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可學(xué)習(xí)性和巨量并行性, 故在汽車懸架振動(dòng)控制中有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng), 和用線性二次調(diào)節(jié)器控制的懸架相比, 具有更好的性能10。4結(jié)束語(yǔ)傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架已不

15、能滿足人們對(duì)汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。為了使懸架系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同道路及速度條件, 出現(xiàn)了一系列懸架減振控制技術(shù), 各種新型電子控制懸架得到了迅速發(fā)展。同時(shí), 現(xiàn)代控制理論在汽車懸架振動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用, 但是在實(shí)際應(yīng)用中選取哪一種或幾種綜合的控制方法, 應(yīng)結(jié)合實(shí)際(下轉(zhuǎn)第52頁(yè)122000年第5期專題研究 圖5檢測(cè)工藝流程圖車輛進(jìn)入三工位, 光電信號(hào) 向三工位微機(jī)提供車輛到位信號(hào), 微機(jī)啟動(dòng)檢測(cè)程序, 首先控制燈光儀分別對(duì)左、右前照燈發(fā)光強(qiáng)度和光軸偏移進(jìn)行檢測(cè), 檢完前照燈后進(jìn)行聲級(jí)測(cè)試。車輛向前行駛, 光電信號(hào) 控制側(cè)滑檢測(cè)的起止時(shí)間。燈光強(qiáng)度、上下光偏、左右光偏、聲級(jí)和側(cè)滑5個(gè)信

16、號(hào)由前置放大器采集和放大后送三工位微機(jī)處理。由于側(cè)滑輸入信號(hào)較大, 在其輸入端加載衰減器, 加以衰減, 然后采用跟隨器電路作緩沖隔離輸出; 底檢信息通過(guò)底檢微機(jī)進(jìn)行觸摸和登錄輸入。全線檢測(cè)過(guò)程中, L ED 顯示屏實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)目檢測(cè)操作規(guī)程和檢測(cè)結(jié)果, 音箱同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示信息。6檢測(cè)工藝流程車輛檢測(cè)、辦理技術(shù)等級(jí)評(píng)定和二級(jí)維護(hù)簽章實(shí)行封閉式自動(dòng)檢測(cè)和流水作業(yè)辦公。車輛進(jìn)站由車場(chǎng)調(diào)度員負(fù)責(zé)安排外檢, 外檢合格后由引車員駕駛車輛上線檢測(cè), 檢測(cè)合格后由行業(yè)管理部門辦理簽章手續(xù)。檢測(cè)工藝流程如圖5所示。收稿日期:1999-12-26(上接第21頁(yè)工況。因此, 采用新型控制技術(shù), 研究和開發(fā)一類控制

17、有效、能耗低、造價(jià)合理的汽車懸架控制系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。針對(duì)懸架系統(tǒng)的非線性特點(diǎn), 研究適宜的懸架控制技術(shù), 是汽車懸架振動(dòng)性能改進(jìn)的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)1章一鳴等. 車輛懸掛阻尼的微機(jī)控制. 汽車工程, 1990, 22丁文鏡. 減振理論. 北京:清華大學(xué)出版社, 19983周世銘等. 非線性連續(xù)反饋控制車輛半主動(dòng)懸架. 汽車工程,1996, 44惠敢. 聲納懸架裝置. 國(guó)外汽車, 1988, 65H rovat D . Su rvey of advanced su spen si on developm en ts andrelated op ti m al con tro l a

18、pp licati on s . A u tomoatica , 1997, 33(106劉少軍. 汽車主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)的發(fā)展. 汽車技術(shù), 1996, 37Yam ahua M . A pp licati on of h infin ity con tro l to activesu spen si on system s . A u tom atica , 1994, 30(10 8A rak i Y .Peviewcon tro l of activesu spen si on u singdistu rbance info rm ati on of fron t w heel. T ran sact